ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК G02B23/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для телескопов с горизонтальной (альт-альт) монтировкой.

Известны различные типы монтировок оптических телескопов (Оптические телескопы. Теория и конструкция. Михельсон Н.Н. Наука, 1976, с. 336 - 358).

Известен оптический телескоп с экваториальной монтировкой (авт.св. N 1195324, кл. G 02 B 23/16, F 16 C 29/07, 1985). Известный телескоп приводится в действие посредством безредукторных приводов наведения с моментными двигателями, установленными непосредственно на осях наведения.

Недостатком телескопа с экваториальной монтировкой является изгиб его полярной оси, обуславливающий смещение оптической оси телескопа, которое имеет сложную зависимость от углов наведения телескопа. Кроме того, эта монтировка требует очень точной установки телескопа и предъявляет относительно высокие требования к взаимной перпендикулярности его осей наведения.

Известен телескоп с альт-азимутальной монтировкой (патент СССР N 1708165, кл. G 02 B 23/00, 1992).

Недостатком телескопов с подобной монтировкой является то, что в близзенитной области скорость изменения азимута и параллактического угла, а также их ускорение становятся очень большими. Поскольку ускорения и скорости вращения приводов монтировки ограничены конструктивно, небольшой телесный угол вблизи зенита оказывается недоступным для наблюдений. По этой причине подобная монтировка не может быть использована в оптических устройствах, к которым предъявляется требование непрерывного слежения за объектом, проходящим через область зенита.

Известна горизонтальная (альт-альт) монтировка, включающая опорно-поворотное устройство с взаимно ортогональными осями вращения, выполненное в виде установленной на стойках неподвижного основания горизонтальной оси, на которой с возможностью вращения установлена вторая ось с жестко закрепленной трубой телескопа (см. упомянутую книгу, с. 337, рис. 11.1в). Такая монтировка позволяет обеспечить непрерывное слежение за объектом, проходящим через область зенита.

Недостатком известной горизонтальной монтировки является относительная сложность оптической схемы для передачи светового пучка к неподвижной светоприемной аппаратуре.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является устройство полиапертурного телескопа (авт. св. N 717692, кл. G 02 B 27/00, 1980).

Известное оптическое устройство содержит взаимно параллельные оптические блоки, смонтированные на опорно-поворотном устройстве с взаимно ортогональными осями вращения, приводы вращения относительно этих осей. Опорно-поворотное устройство выполнено в виде установленного на стойках основания полого вала с установленными вдоль него парами оптических блоков, каждый из которых жестко закреплен на полых полуосях, установленных с возможностью вращения на упомянутом полом валу. Геометрическая ось полого вала неподвижна. Полуоси каждой пары оптических блоков соосны между собой, параллельны полуосям остальных оптических блоков и ортогональны оси полого вала. Оптическая схема каждого оптического блока включает плоское отражающее зеркало, установленное внутри упомянутого полого вала. Для обеспечения параллельности оптических осей приводы вращения оптических блоков выполнены синхронными. При этом каждое плоское отражающее зеркало снабжено корректирующим следящим приводом, что обеспечивает точную коррекцию направления осей всех оптических блоков.

Недостатком известного устройства является то, что оно предполагает консольное закрепление оптического блока на полых полуосях. Такое крепление одновременно с небольшой конструктивной базой опор полых полуосей не обеспечивает достаточную жесткость конструкции и обусловливает развал оптических осей оптических блоков каждой пары и, как следствие, необходимость коррекции направления оптических осей. Вариант исполнения, при котором каждый оптический блок устанавливают на двух полых полуосях, уменьшает развал оптических осей пары оптических блоков, однако требует установки на полом валу противовеса для балансировки системы.

К недостаткам известного устройства относится также то, что оно предполагает применение электромеханических приводов наведения с зубчатыми передачами, которые вносят значительные погрешности в точность наведения телескопа. При этом изготовление подобных зубчатых передач требует прецизионного оборудования и обусловливает относительно высокие затраты на изготовление и обслуживание телескопа.

Отмеченные недостатки ограничивают возможность использования известного устройства в высокоточных оптических устройствах.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности наведения оптического устройства путем повышения жесткости несущих узлов опорно-поворотного устройства, а также размещения приводов наведения непосредственно на осях наведения.

Эта задача решается благодаря тому, что в оптическом устройстве, содержащем оптический блок, смонтированный на опорно-поворотном устройстве со взаимно ортогональными осями вращения, выполненном в виде установленного на стойках основания первого полого вала, на котором с возможностью вращения установлен второй полый вал с жестко закрепленным упомянутым блоком, приводы вращения относительно упомянутых осей и отражающее зеркало, согласно изобретению каждый привод вращения выполнен в виде моментного двигателя, включающего в себя статор и ротор, соединенный с полым валом соответствующей оси вращения. Второй полый вал выполнен с возможностью размещения в нем отражающего зеркала, установленного на первом полом валу, и установлен на опорах, выполненных в противоположных стенках корпуса первого полого вала, с образованием выступающего наружу свободного конца. Ротор соответствующего моментного двигателя соединен с этим концом разъемным соединением с образованием консоли. При этом статор этого двигателя с помощью переднего фланца консольно соединен с переходником, выполненным на корпусе первого полого вала, а через ротор вдоль его оси пропущен кабелепереход с одного полого вала на другой. Одна из стоек основания опорно-поворотного устройства выполнена с переходником для статора другого моментного двигателя. При этом первый полый вал со стороны упомянутого двигателя установлен на стойке с образованием свободного конца, а ротор двигателя соединен с этим концом разъемным соединением с образованием консоли. При этом статор двигателя с помощью соответствующего переднего фланца консольно соединен с переходником стойки. Через первый полый вал вдоль его оси со стороны одной из стоек основания пропущен кабелепереход с основания опорно-поворотного устройства на этот вал. Между основанием опорно-поворотного устройства и первым полым валом, а также между первым и вторым полыми валами установлены устройства фиксации их взаимного положения.

Такая конструкция монтировки с безредукторными приводами наведения, снабженными моментными двигателями, установленными непосредственно на осях наведения, позволяет существенно повысить общую жесткость устройства и частотные характеристики монтировки до 15 - 25 Гц. Одновременно с этим исключаются ошибки наведения из-за погрешностей, присущих зубчатым передачам. Размещение моментного двигателя и кабелеперехода на втором полом валу со стороны, противоположной оптическому блоку, позволяет отказаться или по меньшей мере уменьшить массу балансира, необходимого для уравновешивания оптического блока, и тем самым устранить известный недостаток, присущий несимметричным монтировкам.

Кроме того, каждый кабелепереход может быть выполнен в виде пружины кручения с витками прямоугольного сечения, на которых закреплен гибкий кабель. При этом пружина установлена соосно соответствующей оси вращения, а концы пружины закреплены на элементах оптического устройства, между которыми установлен кабелепереход.

Такое выполнение кабелеперехода является относительно простым, отличается минимальными габаритами в сравнении с известными (см. упомянутую книгу, с. 378) и обеспечивает надежную работу при передаче кабеля между взаимоподвижными частями оптического устройства.

Вместе с этим каждое устройство фиксации взаимного положения взаимоподвижных частей монтировки может быть выполнено в виде дискового тормоза с электромагнитным приводом, включающего корпус и тормозной вал, кинематически связанный с помощью зубчатого зацепления с полым валом соответствующей оси вращения. При этом корпус дискового тормоза соединен соответственно с основанием опорно-поворотного устройства или с корпусом первого полого вала, а на тормозном валу дискового тормоза выполнены элементы, обеспечивающие его вращение вручную.

Благодаря дисковому тормозу с электромагнитным приводом соответствующая поворотная часть опорно-поворотного устройства на любом рабочем угле наведения удерживается от поворота при воздействии внешних факторов, например ветра, в случае обесточивания моментного двигателя. Принцип работы устройства фиксации заключается в том, что при отсутствии напряжения на электромагнитном приводе дискового тормоза осуществляется постоянное торможение тормозного вала и соответственно кинематически связанной с ним поворотной части. При подаче питания на электромагнитный привод дискового тормоза его тормозной вал растормаживается, чем обеспечивается возможность поворота соответствующей поворотной части (полого вала) опорно-поворотного устройства.

Кабелепереход с основания опорно-поворотного устройства на первый полый вал может быть размещен со стороны стойки основания, установленной противоположно моментному двигателю.

Кроме того, указанный кабелепереход может быть размещен со стороны стойки основания с моментным двигателем.

Отражающее зеркало может быть с возможностью регулировки его положения установлено на опоре, консольно закрепленной внутри корпуса первого полого вала, и выполненной в виде раструба или усеченной стержневой пирамиды с возможностью прохождения оптического луча вдоль ее оси.

На фиг. 1 показан общий вид оптического устройства; на фиг. 2 - оптическое устройство, вид сверху, вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - оптическое устройство, разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - оптическое устройство, разрез В-В на фиг. 3.

Оптическое устройство содержит оптический блок 1, смонтированный на опорно-поворотном устройстве 2 со взаимно ортогональными осями вращения (наведения) 3, 4. На основании 5 опорно-поворотного устройства 2 установлены неподвижные стойки 6, 7, в которых с возможностью вращения в подшипниковых опорах 8 установлен первый полый вал 9. На подшипниковых опорах 10, выполненных в противоположных стенках корпуса первого полого вала 9, с возможностью вращения установлен второй полый вал 11, на котором жестко закреплен оптический блок 1. Полые валы 9, 11 снабжены безредукторными приводами вращения 12, 13 относительно осей 3, 4. Приводы вращения выполнены в виде моментных двигателей. Внутри первого полого вала 9 в месте пересечения осей 3, 4 на опоре 14 установлено плоское отражающее зеркало 15, снабженное устройством для регулировки (коррекции) его положения (на фиг. не показано). В варианте исполнения изобретения опора 14 выполнена в виде установленного соосно оси 3 раструба, широкий конец которого жестко закреплен внутри корпуса первого полого вала с образованием консоли. В другом варианте (на фиг. не показан) опора 14 может быть выполнена в виде усеченной стержневой пирамиды с возможностью прохождения оптического луча вдоль ее оси.

Установленное таким образом на первом полом валу 9 плоское отражающее зеркало 15 размещено внутри корпуса второго полого вала 11, для чего в корпусе последнего выполнен вырез "а". В месте выреза стенка корпуса второго полого вала 11 имеет увеличенное сечение для обеспечения необходимой жесткости вала. Зеркало 15 отражает направленный вдоль оси второго полого вала 11 световой пучок от оптического блока 1 и через вырез "а" направляет его вдоль оси первого полого вала 9 к неподвижной оптической (оптоэлектронной) аппаратуре (на фиг. не показано). Эта аппаратура представляет собой объектив, или, в случае направления в сторону наблюдаемого объекта светового луча большой мощности, источник световой энергии.

Второй полый вал 11 в корпусе первого полого вала 9 установлен с образованием со стороны, противоположной оптическому блоку 1, выступающего наружу свободного конца. На последнем посредством разъемного соединения (на фиг. не показано) через переходник 16 консольно закреплен ротор 17 моментного двигателя привода вращения относительно оси 4. Статор 18 этого моментного двигателя с помощью переднего фланца 19 соединен с переходником 20, закрепленным на корпусе первого полого вала 9. В варианте осуществления изобретения переходник 20 одновременно является крышкой подшипниковой опоры 10. В другом варианте (не показан) упомянутый переходник и корпус первого полого вала могут представлять собой единое целое. На переходнике 20 также закреплен противовес 21. Через ротор 17 пропущен кабелепереход 22 с первого полого вала 9 на второй полый вал 11. Кабелепереход выполнен в виде пружины кручения 23 с витками прямоугольного сечения, к которой с заданным шагом профильными скобами 24 прикреплен кабельный жгут 25. Пружина 23 установлена соосно оси 4. Один конец пружины закреплен с помощью кронштейна 26 на втором полом валу 11, а другой - на связанной с первым полым валом 9 стойке 27. Такое размещение моментного двигателя и кабелеперехода 22 позволяет уменьшить массу противовеса 21, необходимую для уравновешивания оптического блока 1 относительно оси 4.

В подшипниковой опоре 8 неподвижной стойки 7 первый полый вал 9 установлен с образованием свободного конца, на котором посредством разъемного соединения (на фиг. не показано) через переходник 28 консольно закреплен ротор 29 моментного двигателя привода вращения относительно оси 3. Статор 30 этого моментного двигателя с помощью соответствующего переднего фланца соединен с переходником 31, закрепленным на неподвижной стойке 7.

В другой подшипниковой опоре 8 первый полый вал 9 установлен с образованием свободного конца, на котором в варианте осуществления изобретения соосно оси упомянутого вала консольно закреплен стакан 32. Через упомянутый стакан и первый полый вал вдоль оси последнего пропущен кабелепереход 33 с основания 5 опорно-поворотного устройства на первый полый вал 9. По своей конструкции этот кабелепереход аналогичен кабелепереходу 22. Соответствующая пружина кручения установлена соосно оси 3. Один конец пружины закреплен на стакане 32, а другой - на кронштейне 34, установленном на неподвижной стойке 6.

В другом варианте исполнения изобретения (на фиг. не показан) кабелепереход 33 с основания 5 опорно-поворотного устройства на первый полый вал 9 может быть пропущен через переходник 28. В случае размещения упомянутого кабелеперехода внутри переходника 28 опору 14 с отражающим зеркалом 15 устанавливают внутри первого полого вала 9 с возможностью направления светового пучка в сторону неподвижной стойки 6, у которой располагают оптоэлектронную аппаратуру. Выбор варианта размещения кабелеперехода 33 определяется, в частности, принятым вариантом взаимного расположения опорно-поворотного устройства и оптоэлектронной аппаратуры.

Между основанием 5 опорно-поворотного устройства 2 и первым полым валом 9, а также между первым полым валом 9 и вторым полым валом 11 установлены устройства фиксации их взаимного положения. В варианте исполнения изобретения каждое устройство фиксации выполнено в виде дискового тормоза с электромагнитным приводом 35, имеющего тормозной вал, кинематически связанный с помощью зубчатого зацепления соответственно с первым полым валом 9 или вторым полым валом 11. В качестве дискового тормоза может быть использован, например, дисковый тормоз (авт. св. N 903619, кл. F 16 D 55/44, 1982). На тормозных валах дисковых тормозов установлены шестерни 36, 37, взаимодействующие соответственно с зубчатым колесом 38, установленным на первом полом валу 9, и зубчатым сектором 39, установленным на втором полом валу 11. На каждом тормозном валу предусмотрены элементы, обеспечивающие его вращение вручную (на фиг. не показаны). Например, это может быть призматический хвостовик или граненое отверстие. В варианте осуществления изобретения тормозной вал используют для поворота соответствующей подвижной части вручную путем установки на него специального съемного редуктора с маховиком и предохранительной муфтой (на фиг. не показаны). При установке упомянутого редуктора цепь питания соответствующего моментного двигателя автоматически блокируется, при снятии - восстанавливается.

Вместе с этим, между основанием 5 опорно-поворотного устройства 2 и первым полым валом 9, а также между первым полым валом 9 и вторым полым валом 11 установлены буферные устройства 40, 41 для безударного торможения и остановки поворотных частей на предельных углах наведения в случае аварийной ситуации при несрабатывании концевых выключателей приводов вращения. В варианте осуществления изобретения буферные устройства выполнены в виде пружинно-гидравлических устройств. Буферные устройства 40 установлены на стойках 6 и 7 и взаимодействуют с упорами, размещенными на корпусе первого полого вала 9. Буферные устройства 41 связаны со вторым полым валом 11 и взаимодействуют с упорами, размещенными на зубчатом секторе 39.

В варианте осуществления изобретения оптический блок 1 включает несколько оптоэлектронных устройств, обеспечивающих прием и передачу оптического сигнала на различных каналах, например телевизионных, инфракрасных, лазерных, а также преобразование оптического сигнала в удобную форму.

Оптическое устройство работает следующим образом.

Наведение (слежение) оптического блока 1 на наблюдаемый объект может производиться раздельно или одновременно по осям 3, 4. Моментные двигатели безредукторных приводов вращения 12, 13 обеспечивают поворот подвижных частей опорно-поворотного устройства 2, а также их удержание на любом угле наведения при включенном питании двигателей. При этом одновременно подается питание на электромагнитные приводы дисковых тормозов устройств фиксации взаимного положения основания опорно-поворотного устройства 2 и первого полого вала 9, а также первого и второго полых валов 9, 11. При подаче питания на электромагнитный привод дискового тормоза его тормозной вал растормаживается и обеспечивает возможность поворота соответствующей поворотной части (полого вала) опорно-поворотного устройства. При повороте первого полого вала 9 или второго полого вала 11 движение передается на пружину кручения соответствующего кабелеперехода 22, 33, которая при этом скручивается или раскручивается совместно с закрепленным на ней кабельным жгутом.

При обесточивании моментного двигателя одновременно обесточивается электромагнитный привод соответствующего дискового тормоза и осуществляется постоянное торможение тормозного вала и соответственно связанной с ним поворотной части (полого вала) опорно-поворотного устройства.

При необходимости поворота какой-либо поворотной части опорно-поворотного устройства вручную к тормозному валу дискового тормоза соответствующего устройства фиксации подсоединяют съемный редуктор с маховиком и предохранительной муфтой. При установке этого редуктора цепь питания моментного двигателя автоматически блокируется.

В случае аварийной ситуации при несрабатывании на предельных углах наведения концевых выключателей приводов вращения соответствующие буферные устройства 40, 41 обеспечивают безударное торможение и остановку поворотных частей опорно-поворотного устройства.

Таким образом, благодаря особенности исполнения оптического устройства изобретение позволяет повысить общую жесткость монтировки, при этом установка моментных двигателей непосредственно на исполнительных осях позволяет существенно повысить точность наведения устройства за счет отсутствия в цепи наведения зубчатых передач.

Оптическое устройство относится к оптическому приборостроению, может быть использовано для телескопов с горизонтальной монтировкой и содержит оптический блок, смонтированный на опорно-поворотном устройстве со взаимно ортогональными осями вращения. На основании установлены неподвижные стойки, в которых с возможностью вращения установлены первый полый вал, на котором с возможностью вращения установлен второй полый вал с жестко закрепленным оптическим блоком. Полые валы снабжены безредукторными приводами вращения относительно упомянутых осей. Каждый привод выполнен в виде моментного двигателя, содержащего ротор и статор. Внутри первого полого вала в месте пересечения осей наведения установлено переотражающее зеркало, размещенное также внутри второго полого вала, для чего в последнем выполнен вырез. Второй полый вал установлен на опорах, выполненных в противоположных стенках корпуса первого вала с образованием выступающего наружу свободного конца, а ротор соответствующего моментного двигателя соединен с этим концом разъемным соединением с образованием консоли. При этом статор моментного двигателя с помощью переднего фланца консольно соединен с переходником, выполненным на корпусе первого полого вала, а через ротор моментного двигателя вдоль его оси пропущен кабелепереход с одного полого вала на другой. Одна из стоек основания выполнена с переходником для другого моментного двигателя. При этом первый полый вал установлен на этой стойке с образованием свободного конца, с которым соединен ротор моментного двигателя с разъемным соединением с образованием консоли. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Оптическое устройство, содержащее оптический блок, смонтированный на опорно-поворотном устройстве с взаимно ортогональными осями вращения, выполненном в виде установленного на стойках основания первого полого вала, на котором с возможностью вращения установлен второй полый вал с жестко закрепленным упомянутым блоком, приводы вращения относительно упомянутых осей и зеркало, отличающееся тем, что каждый привод вращения выполнен в виде моментного двигателя, включающего в себя статор и ротор, соединенный с полым валом соответствующей оси вращения, причем второй полый вал выполнен с возможностью размещения в нем зеркала, установленного на первом полом валу, и установлен на опорах, выполненных в противоположных стенках корпуса первого полого вала, с образованием выступающего наружу свободного конца, а ротор соответствующего моментного двигателя соединен с этим концом разъемным соединением с образованием консоли, при этом статор этого двигателя с помощью переднего фланца консольно соединен с переходником, выполненным на корпусе первого полого вала, а через ротор вдоль его оси пропущен кабелепереход с одного полого вала на другой, одна из стоек основания опорно-поворотного устройства выполнена с переходником для статора другого моментного двигателя, при этом первый полый вал со стороны упомянутого двигателя установлен на стойке с образованием свободного конца, а ротор двигателя соединен с этим концом разъемным соединением с образованием консоли, при этом статор двигателя с помощью соответствующего переднего фланца консольно соединен с переходником стойки, а через первый полый вал вдоль его оси со стороны одной из стоек основания пропущен кабелепереход с основания опорно-поворотного устройства на этот вал, причем между основанием опорно-поворотного устройства и первым полым валом, а также между первым и вторым полыми валами установлены устройства фиксации их взаимного положения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый кабелепереход выполнен в виде пружины кручения с витками прямоугольного сечения, на которых закреплен гибкий кабель, при этом пружина установлена соосно соответствующей оси вращения, а концы пружины закреплены на элементах устройства, между которыми установлен кабелепереход. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждое устройство фиксации выполнено в виде дискового тормоза с электромагнитным приводом, включающего корпус и тормозной вал, кинематически связанный с помощью зубчатого зацепления с полым валом соответствующей оси вращения, при этом корпус дискового тормоза соединен соответственно с основанием опорно-поворотного устройства или с корпусом первого полого вала, а на тормозном валу выполнены элементы, обеспечивающие его вращение вручную. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кабелепереход с основания опорно-поворотного устройства на первый полый вал размещен со стороны стойки основания, установленной противоположно моментному двигателю. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кабелепереход с основания опорно-поворотного устройства на первый полый вал размещен со стороны стойки основания с моментным двигателем. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зеркало с возможностью регулировки его положения установлено на опоре, консольно закрепленной внутри корпуса первого полого вала и выполненной в виде раструба или усеченной стержневой пирамиды с возможностью прохождения оптического луча вдоль ее оси.